CN110246404B - 一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，包括，外耳耳廓模型、硅胶薄膜模拟鼓膜与前庭窗膜振动的结构、电机‑凸轮驱动的听小骨模拟结构、三维耳蜗模型与LED灯带配合演示内耳工作原理的结构；本发明较直观地展示了人耳的基本结构，模拟了人耳工作时中耳的运动方式与内耳的工作原理，演示了人耳各部分的协同配合关系，易于理解，配合音频输入输出等互动形式，有较好的展示与科普效果。

Description

一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置
技术领域
本发明属于人体生理学模拟，科普展品设计领域，尤其涉及一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置。
背景技术
人耳是人感受外界声音，获取信息的一个重要器官。人耳结构巧妙，配合精密，工作原理复杂。人耳分为外耳、中耳、内耳三部分；外耳耳廓具有收集声音、传导声音进入中耳的作用；中耳鼓膜、听小骨将声波转化为振动传导到内耳；内耳耳蜗受振动刺激，耳蜗内的淋巴液流动促进生物化学反应的进行，通过听神经在大脑产生听觉。
目前，在人体器官科普装置领域，已经授权、公开的专利包括《人耳听声动态演示模型》(申请号：CN200910182554.7；公告号：CN102024360A)；《具有声光演示效果的人体教学模型》(申请号：CN201520912679.1；公告号：CN 205104128U)。现有的人耳科普装置通常仅展示外耳耳廓形状，缺少中耳鼓膜、听小骨运动方式与内耳耳蜗响应方式的展示，且以外观展示为主。相关科普展示装置互动形式简单、互动性不足，科普效果一般，这也是公众对人耳结构与工作原理了解不足，了解途径较少的原因之一。高还原度地展示人耳结构与工作原理，难点在于如何展示人耳内鼓膜、前庭窗膜等薄膜的振动；如何驱动模拟听小骨的结构，并使其运动方式配合鼓膜振动；如何直观地展示内耳耳蜗淋巴液流动发生生物化学反应的过程；如何保证科普装置具有良好的互动性，避免以外观展示为主，仅仅展示人耳结构外观。
发明内容
为了克服上述技术难点，本发明的目的在于提供一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，能够较直观地展示人耳的基本结构，模拟人耳工作时中耳的运动方式与内耳的工作原理，演示人耳各部分的协同配合关系，有一定的互动方式；本发明装置将人耳中的三部分主要生理结构外、中、内耳的生理功能进行了一定形式的抽象展示：将外耳以三维模型的形式展示，将中耳的耳室以模型的形式展示，中耳的听小骨以机械结构的形式展示，将内耳的耳蜗以三维模型加上光电系统的形式进行展示。
为达上述目的，本发明的技术方案是：
一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，包括底座1，底座1上的按钮面板2，底座1上方的展示窗3；所述按钮面板2与底座1成预设角度，展示窗3与底座1由型材支撑；
所述展示窗3内部分为展示部分与驱动部分；展示部分包括二维外耳轮廓4，模拟耳道的圆筒5，模拟鼓膜的硅胶薄膜6由固定环11张紧于模拟耳道的圆筒5端部，模拟鼓膜的硅胶薄膜6的与模拟听小骨的听小骨板7连接，模拟镫骨的镫骨板8通过关节轴9与模拟听小骨的听小骨板7铰接，模拟镫骨的镫骨板8端面与模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10连接；模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10由固定环11张紧于中空的盛有液体的圆柱液体容器12的一端，圆柱液体容器12另一端与三维耳蜗模型13连接，三维耳蜗模型13内通过通孔固定有LED灯带14；
所述驱动部分包括步进电机15及其支架，与步进电机15输出轴连接的凸轮16，与凸轮16凹槽连接的凸轮拨杆17，与凸轮拨杆17连接并且通过键-键槽配合与模拟听小骨的听小骨板7连接的传动轴18，以及支撑传动轴18的轴杯固定板19；
所述按钮面板2上设置有开关按钮、旋钮、麦克风何耳机；所述按钮面板2下方，固定有科普展示装置的控制设备。
和现有发明相比较，本发明具有如下优点：
外耳结构为二维外耳轮廓4，中耳结构包括模拟鼓膜的硅胶薄膜6、模拟听小骨的听小骨板7、模拟镫骨的镫骨板8和模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10，内耳结构为三维耳蜗模型13，综合了二维模型、三维模型、机械运动结构三种展现形式，内容充实且直观。
通过步进电机15、凸轮16、传动轴18驱动模拟听小骨的听小骨板7运动，带动模拟鼓膜的硅胶薄膜6与模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10振动，高度还原了人耳中耳结构的运动形式。
通过三维耳蜗模型13内LED灯带14不同位置光源的亮度变化，模拟内耳耳蜗不同位置的生物化学反应的进行，生动还原了人耳内耳的工作原理。
通过麦克风由观众录入音频，由控制设备分析，从耳机输出所述音频，并调节步进电机15输出与LED灯带14亮灭，使所述中耳结构模拟鼓膜的硅胶薄膜6、模拟听小骨的听小骨板7、模拟镫骨的镫骨板8、模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10的运动变化，使所述LED灯带14不同位置光源亮度变化，有较好的互动性。
附图说明
图1为本发明科普展示装置展示外耳、中耳和内耳的部件连接示意图。
图2为模拟耳道的圆筒和圆柱液体容器12与底座的型材框架连接示意图。
图3为展示窗内部的驱动部分连接示意图。
图4为模拟听小骨的听小骨板与模拟镫骨的镫骨板通过关节轴铰接示意图。
图5为底座、底座上的型材框架及按钮面板示意图。
图6为三维耳蜗模型内固定LED灯带示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
如图1、图5和图6所示，本发明一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，包括底座1，底座1上安装有按钮面板2，其他工作零部件通过螺纹连接件连接在构成底座1的型材框架28上，主要工作零部件包括模拟耳道的圆筒5，模拟鼓膜的硅胶薄膜6，模拟听小骨(锤骨和砧骨)的听小骨板7，模拟镫骨的镫骨板8，模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10以及三维耳蜗模型13，都位于展示窗3内。
如图1、图2、图3和图4所示，模拟耳道的圆筒5通过外耳道固定件20固定在底座1的型材框架28上，模拟鼓膜的硅胶薄膜6通过固定环11安装在模拟耳道的圆筒5上，它的另一端以硅胶渗透的形式和模拟听小骨(锤骨和砧骨)的听小骨板7形成一体；通过关节轴9与模拟听小骨的听小骨板7的一端铰接的模拟镫骨的镫骨板8，模拟镫骨的镫骨板8、模拟前庭窗的硅胶薄膜10以及圆柱液体容器12间也采用这种连接方式。圆柱液体容器12和三维耳蜗模型13用螺纹连接件与套筒22连接，套筒22通过套筒固定件21固定在底座1的型材框架28上。模拟听小骨(锤骨和砧骨)的听小骨板7上开有轴孔，与传动轴18之间通过平键传动扭矩，传动轴18有轴承支撑，另一端通过平键传递来自凸轮拨杆17的扭矩，凸轮拨杆17由凸轮16驱动，滚子为深沟球轴承24。步进电机15及其支架安装在型材框架28上，电机输出轴通过法兰25和凸轮16连接。
本发明的工作原理：
步进电机15提供动力，经过凸轮16和凸轮拨杆17，将步进电机15输出轴的旋转运动转换为模拟听小骨运动所需的周期性旋转运动，传递给传动轴18。通过键-键槽配合与传动轴18连接的模拟听小骨的听小骨板7产生绕转动轴18轴线的周期性旋转运动，通过关节轴9与模拟听小骨的听小骨板7的一端铰接的模拟镫骨的镫骨板8也产生周期性运动，模拟鼓膜的硅胶薄膜6与模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10振动随之产生周期性振动。
所述模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10振动，使圆柱液体容器12内的液体振动，所述圆柱液体容器12内的气泡产生明显的周期性运动，展示了模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10的振动。
观众通过麦克风录入的音频，通过按钮面板2上的旋钮调节音频特性，由控制设备分析，从耳机输出所述音频，并由控制设备调节步进电机15的输出，使包括模拟鼓膜的硅胶薄膜6、模拟听小骨的听小骨板7、模拟镫骨的镫骨板8和模拟前庭窗膜的硅胶薄膜10的中耳结构的运动产生变化，展示人耳获取声音时中耳部分的运动过程。控制设备同时调节三维耳蜗模型13内LED灯带14不同位置的光源亮度，展示人耳耳蜗对不同频率、响度的声音的不同响应。

Claims (3)

1.一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，包括底座(1)，底座(1)上的按钮面板(2)，底座(1)上方的展示窗(3)；其特征在于：所述按钮面板(2)与底座(1)成预设角度，展示窗(3)与底座(1)由型材支撑；
所述展示窗(3)内部分为展示部分与驱动部分；所述展示部分包括二维外耳轮廓(4)，模拟耳道的圆筒(5)，模拟鼓膜的硅胶薄膜(6)由固定环(11)张紧于模拟耳道的圆筒(5)端部，模拟鼓膜的硅胶薄膜(6)与模拟听小骨的听小骨板(7)连接，模拟镫骨的镫骨板(8)通过关节轴(9)与模拟听小骨的听小骨板(7)铰接，模拟镫骨的镫骨板(8)端面与模拟前庭窗膜的硅胶薄膜(10)连接；模拟前庭窗膜的硅胶薄膜(10)由固定环(11)张紧于中空的盛有液体的圆柱液体容器(12)的一端，圆柱液体容器(12)另一端与三维耳蜗模型(13)连接，三维耳蜗模型(13)内通过通孔固定有LED灯带(14)；
所述驱动部分包括步进电机(15)及其支架，与步进电机(15)输出轴连接的凸轮(16)，与凸轮(16)凹槽连接的凸轮拨杆(17)，与凸轮拨杆(17)连接并且通过键-键槽配合与模拟听小骨的听小骨板(7)连接的传动轴(18)，以及支撑传动轴(18)的轴杯固定板(19)；
所述按钮面板(2)上设置有开关按钮、旋钮、麦克风和耳机；所述按钮面板(2)下方，固定着科普展示装置的控制设备。
2.根据权利要求1所述的一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，其特征在于：该装置模拟了人耳主要生理结构的功能，主要包括外耳，中耳和内耳，对其主要功能以模型，机械系统或机电系统的形式进行了抽象展示，模拟听小骨的听小骨板(7)根据传动轴(18)输入受步进电机(15)控制地绕定点旋转，与模拟听小骨的听小骨板(7)铰接的模拟镫骨的镫骨板(8)随所述模拟听小骨的听小骨板(7)运动；模拟鼓膜的硅胶薄膜(6)与模拟听小骨的听小骨板(7)通过硅胶渗透连接，模拟前庭窗膜的硅胶薄膜(10)与模拟镫骨的镫骨板(8)通过硅胶渗透连接，所述模拟鼓膜的硅胶薄膜(6)与模拟前庭窗膜的硅胶薄膜(10)从而产生振动；
展示装置的控制设备,能够根据麦克风的音频输入，进行音频分析，通过耳机输出；所述三维耳蜗模型(13)内LED灯带(14)根据控制设备的音频分析结果，能够在LED灯带(14)不同位置产生不同亮度的光源。
3.根据权利要求1所述的一种展示人耳结构和工作原理的科普展示装置，其特征在于：该装置模拟了人耳各个部分损坏后对人的听力的影响，模拟的过程基于控制设备的音频分析，功能损坏的结构直观地体现在耳机输出音频的变化以及LED灯带(14)的明暗变化上。
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